李傳江 袁秀平

摘 要：文章以實例論述了項目驅動模式在“自動控制理論”課程中的探索和應用。通過項目驅動教學實現(xiàn)授課理論與實踐的有效結合，幫助學生透徹理解反饋控制思想和PID控制的原理，提高學生分析和解決問題的實踐能力，并有利于培養(yǎng)學生的團隊合作精神。

關鍵詞：項目驅動教學；自動控制理論；轉向控制系統(tǒng)

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）06-0031-02

高校理工科專業(yè)的教學模式一般以教師授課為主，在理論結合實際應用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上相對薄弱一些，作為學生一般是被動地接受知識，對知識點的掌握程度，往往依賴學生自身的理解能力和所下功夫，特別是理論性相對較強的學科，如果授課模式相對單一，所舉案例又與實際應用存在一定差距，就會加大學生對理論知識的理解難度，出現(xiàn)缺乏學習興趣的情況，會影響到教學質量，造成學生在基礎學科上掌握不夠牢固，還會影響到后續(xù)學科的學習，甚至衍變成應試教育[1]。專業(yè)基礎課不僅僅是專業(yè)課程學習的基礎，它與工程實踐應用也結合得較為緊密，如果能夠在教學中實現(xiàn)與實際應用的有機結合，讓學生提高學習興趣，加深理解，就會產生更好的教學效果[2]。針對這種情況，筆者在“自動控制理論”課程中嘗試開展了“項目驅動教學”模式的探索和實踐，把它作為傳統(tǒng)課堂授課的有機補充，通過兩年多的摸索、研究和實踐，取得了不錯的教學效果。

一、項目驅動教學綜述

項目驅動教學相對于傳統(tǒng)課堂授課模式，是一種行為引導式的教學方式[3]。在教學過程中，教師針對所教授的課程內容，選取合適的項目或案例作為教學載體和教學主軸，把學生所需掌握的知識點融入到項目的各個環(huán)節(jié)中，組織學生成為項目的實施主體，授課教師總體把控和引導項目的開展，并圍繞項目開展實施教學活動。學生參與項目分析、方案制定、軟硬件設計、調試試驗的整個過程，這樣就可以在課堂教學中將理論與實踐有機結合，學生的學習過程也不再是被動接受，而是需要積極參與。為了完成既定目標，在項目實施過程中，學生需要開動腦筋發(fā)現(xiàn)問題，并找出解決問題的思路和方法，在項目進展過程中，熟悉和掌握項目中所蘊含的各種知識點，并且能夠讓學生體驗到成功解決問題后的成就感，對提高學生的學習興趣和積極性有著正面的促進作用。在提高學生動手實踐能力的同時，也培養(yǎng)和增強了學生行動自信力和團隊合作精神[4]。

項目驅動教學有別于傳統(tǒng)課堂授課教學模式，有著相對生動靈活、不拘多樣的特點，教師可以針對課程內容及知識構成特點，靈活機動地選取適宜項目或案例開展教學活動，與課堂的理論授課有機融合施教，并通過教學實踐逐步積累、修訂和完善，并最終納入學科教學大綱中。

二、“自動控制理論”課程項目驅動教學法實例應用

“自動控制原理”課程主要教授控制系統(tǒng)分析與設計的基礎知識，包括控制系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能以及控制系統(tǒng)校正與設計等。通過本課程的學習，主要使學生了解并掌握分析和設計自動控制系統(tǒng)的基本理論知識和方法，并能夠較熟悉使用Matlab等軟件進行系統(tǒng)設計仿真與計算，為后續(xù)相關課程的學習奠定基礎。

（一）項目驅動教學目標

“自動控制原理”是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)必修課，其理論性知識點較多，且概念較抽象，但該課程實際上與工程應用聯(lián)系較為緊密，且是后續(xù)專業(yè)課學習的一門重要基礎科目。多年來，該課程一般采用“課堂教授+驗證性實驗”的教學方法[5]，學生即使掌握了本課程要求的基本概念、基本數(shù)據(jù)等，也較難將課堂所講的理論知識與工程實際相聯(lián)系，缺乏用控制理論來解決實際問題的應用。

基于以上情況，選擇“自動控制原理”課程來實施項目驅動教學模式的探索和實踐。針對“自動控制原理”課程中的控制系統(tǒng)數(shù)學模型建立、控制系統(tǒng)的校正與設計等方面的重要知識點，選取一個或多個合適項目或案

例，通過系統(tǒng)分析、軟硬件設計、Matlab軟件仿真等，使學生更好地掌握相關知識點。

在項目實施過程中，將學生分成幾個項目小組同步開展，并推選項目小組長負責本小組課題活動。學生可通過查找文獻、上網(wǎng)搜索等不同的方式來搜集相關資料，教師對重要知識點和關鍵過程進行講解和引導，并

隨時掌握各小組的進展情況。

（二）項目概要及要求

針對“自動控制原理”課程教學目標，在此以“車輪轉向PID控制系統(tǒng)”為例，簡要介紹項目驅動教學方法。

車輪轉向控制在工業(yè)領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節(jié)器要求較高。因此該項目能體現(xiàn)自動控制理論的教學目標，并提高了學生的工程實踐能力和綜合素質。

為了達到好的轉向效果，應對電機有一個良好的轉向驅動方式。轉向給定值由人工設定，控制器根據(jù)步進電機轉角的變化自動調整轉向。為此結合控制要求，設計技術參數(shù)確定為：

1.電機步進角為1.5度，轉角都保持在[-90°，+90°]變化。

2.空載起動到額定轉向時的轉向超調量n≤10%。

3.根據(jù)不同的路況能自

動調整目標轉向。

（三）項目總體分析及控制器方案確定

對車輪轉向PID控制系統(tǒng)設計要求進行分析，建立系統(tǒng)組成控制框圖，確定系統(tǒng)硬件結構，并確定PID控制器方案。通過本部分的實施，可以培養(yǎng)學生系統(tǒng)分析和PID控制器設計能力。

教師引導學生，對車輪轉向驅動系統(tǒng)進行分析，建立驅動系統(tǒng)的控制框圖，如圖1所示。整個控制系統(tǒng)為Arduino作為控制處理器；通過電位器檢測轉向角，電位器信號通過A/D進入處理器，與設定的目標值比較得到誤差；誤差作為輸入經(jīng)過數(shù)字PID運算得到控制量，該控制量通過D/A輸出給步進電機驅動器，通過電機驅動車輪轉向，從而達到設定的目標值。

為了使學生更加直觀地了解控制系統(tǒng)的組成和原理，控制系統(tǒng)采用簡單易學的Arduino實現(xiàn)，學生可以在較短時間內完成系統(tǒng)的搭建。

圖1 轉向系統(tǒng)控制框圖

（四）項目軟硬件設計

確定系統(tǒng)硬件結構后，接下來設計系統(tǒng)的軟件和硬件部分。每個項目小組按照項目的內容和成員的特長進行分工，明確每個成員的職責和任務。硬件電路的設計主要有：1.電氣電路的設計，主要完成主電路和驅動控制器；2.轉角測量電路設計，選擇電位器將檢測反饋回的信號進行A/D轉換；3.轉向PID調節(jié)器設計，實現(xiàn)轉向自動控制；4.電源管理設計，主要完成向Arduino控制器和電機驅動模塊提供控制電壓。根據(jù)以上組成部分的特點及要求，結合學生對系統(tǒng)的理解程度，畫出相應的電路圖，最后把各部分的硬件電路整合起來。

車輪轉向PID控制系統(tǒng)采用Arduino進行數(shù)字轉向控制，數(shù)字PID調節(jié)器等直接用程序實現(xiàn)控制，這些環(huán)節(jié)可以由不同的學生獨立編程完成。各環(huán)節(jié)程序完成后，再設計系統(tǒng)的主程序和中斷程序，這部分內容由大家集體完成。

（五）項目調試、仿真及運行

對車輪轉向PID控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)調試，并通過Matlab軟件建模進行仿真實驗，得到優(yōu)化PID控制器參數(shù)，最后進行在線運行控制。通過本部分的實施，培養(yǎng)了學生數(shù)學模型建立、Matlab仿真和系統(tǒng)調試的能力。

1.系統(tǒng)調試。系統(tǒng)硬件裝配完之后，先對系統(tǒng)進行硬件調試，接下來進行聯(lián)機調試，在調試過程中，不僅要檢查硬件問題，還要檢查軟件問題。在檢查硬件沒有問題后，再結合硬件修改軟件程序，逐步檢查問題，直到調試出結果。這個過程需要小組成員的協(xié)作，共同完成。

2.建模及仿真。系統(tǒng)調試成功后，對車輪轉向驅動系統(tǒng)施加不同的輸入控制信號，可得到轉向的輸出信號，從而對車輪進行數(shù)學模型建立，得到控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，運用Matlab仿真軟件進行仿真實驗，得到PID控制器的參數(shù)。

圖2是PID參數(shù)設定后運行性能比較，電位器轉向角度數(shù)據(jù)的仿真實驗，T=0.5S，KP=0.7，Ti=600s，Td=0.1S時，控制效果比較好。

3.運行及校驗。在程序中給定車輪的期望轉向角

度，將仿真結果得到的PID控制器參數(shù)寫入程序中，在線對系統(tǒng)進行控制。通過觀察Arduino監(jiān)視器的車輪轉向結果，確定控制的效果是否達到要求。如果沒有達到，或者性能指標不好，分析原因，并找出解決方法。

（六）項目總結研討及答疑講解

各小組完成項目后要提交總結報告，授課教師組織各小組全體學生開展本次項目驅動教學的總結研討活動，活動內容主要包括：各小組代表做項目匯報及項目成果展示；各小組總結項目實施過程中遇到的關鍵問題及解決方案；授課教師針對疑難問題、知識點進行歸納總結和講解；教師學生一起對項目驅動教學模式進行共同研討，提出改進意見及建議；授課老師對本次項目驅動教學活動進行總結等。

三、結語

作為課堂教學的有機補充，從項目驅動教學在“自動控制理論”課程中的試點實踐應用結果來看，可有效激發(fā)學生的學習興趣，加強學生學習的主觀能動性，增

強理論與實際應用結合的體驗，有利于加深學生對理論知識的理解，同時培養(yǎng)學生項目組織、團隊協(xié)作及工程實踐能力。

參考文獻：

[1]樓旭陽.實例式教學在自動控制原理教學中的運用和研究[J].價值工程，2016，（13）.

[2]楊曉紅，徐亮，劉成旭，等.《自動控制原理》課程工程實例法教學改革[J].教育教學論壇，2016，（36）.

[3]任金霞，王祖麟.項目驅動教學在“自動控制原理”課程中的實踐[J].中國電力教育，2013，（28）.

[4]楊艷麗，郭一鋒，張國良，等.問題驅動教學法在《自動控制原理》“穩(wěn)態(tài)誤差分析”教學中的應用[J].教育教學論壇，2016，（17）.

[5]劉臣輝，徐青，鄭天柱，等.項目驅動教學模式在實踐性教學中的應用研究[J]. 科教文匯：上旬刊，2015，（3）.